移动式上向反井钻机的制作方法

技术领域

本发明涉及矿山机械领域，特别涉及一种移动式上向反井钻机。

背景技术：

反井钻机工艺原理是通过钻机的电机带动液压泵，液压泵驱动液压马达，并驱动动力头，利用液压动力将扭矩传递给钻具系统，带动钻杆及钻头旋转，导孔钻头或扩孔钻头上的滚刀在钻压的作用下，沿井底岩石工作面做纯滚动或微量滑移。同时主机油缸产生的轴向拉、压力，也通过动力头、钻杆作用在导孔钻头或扩孔钻头上，使导孔钻头的滚刀在钻压作用下滚动，产生冲击荷载，使滚刀齿对岩石产生冲击、挤压和剪切作用，破碎岩石。采用反井钻机进行钻井，具有工艺简单、钻井速度快、适应性强等优点。然而现有反井钻井工艺无法在现有坑道内对坑道上方的地层进行钻井施工，如果需要对现有坑道上方的地层进行钻井施工，那就需要在预钻井位置的上方新开挖一条坑道，或者直接采用别的工艺进行钻井施工，不仅耗费大量的工时，而且还耗费大量的人力和物力，无法体现出反井钻机在单一坑道中对坑道上方地层进行钻井施工的优势。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明在于提供一种在现有坑道中对坑道上方地层进行井筒钻进的移动式上向反井钻机，免去现有反井钻井工艺需要开挖两条坑道的麻烦，有利于节省井筒钻进过程中工程耗时，而且有利于节省人力物力，降低井筒钻进成本。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：上向反井钻井工艺，包括如下步骤：

(1)对待钻地层进行地质调查，确定所述地层的倾角大小；

(2)安装上向反井钻机；

(3)井筒钻进；

(4)井壁支护。

上述上向反井钻井工艺，步骤(1)包括如下步骤：

(a)确定待钻井筒位置

(b)对地质、设计部门提供的地质资料进行调研，并根据调研结果，判断待钻井筒所在位置附近地层中地层倾角的大小，以便判断中待钻井筒所在位置上方地层中岩石的可钻性。

上述上向反井钻井工艺，步骤(2)包括如下步骤：

(A)沿坑道将上向反井钻机运至待钻井筒所在位置的下方；

(B)将上向反井钻机机架竖起，然后安装上向反井钻机。

上述上向反井钻井工艺，步骤(3)包括如下步骤：

(i)对待钻井筒所在坑道段进行支护；

(ii)对待钻井筒井口周围地层进行预固化处理；

(iii)井筒钻进。

上述上向反井钻井工艺，步骤(ii)中采用速凝水泥浆对待钻井筒井口周围地层进行预固化处理。

上述上向反井钻井工艺，步骤(4)中：反井钻井成井后，利用上向反井钻机机架和升降设备，在井筒内设置吊盘，通过配备一套提升系统担负运送材料和人员的功能，对于结构不稳定的地层，用整体式金属模板砌壁，无缝钢管浇筑内层井壁；对于结构稳定的地层，利用锚杆喷浆支护，完成井筒全部作业。

上述上向反井钻井工艺，所述上向反井钻机为移动式上向反井钻机，所述移动式上向反井钻机包括钻井装置和移动装置；

所述钻井装置包括钻机支撑机构、主推油缸、动力头和钻具，所述钻机支撑机构包括下支撑、底座、导向柱、顶梁和上支撑；所述下支撑的上端与所述导向柱的下端固定连接，所述导向柱的上端与所述上支撑的下端固定连接；所述底座安装在临近所述导向柱的下端的所述导向柱上，所述顶梁安装在临近所述导向柱的上端的所述导向柱上，所述主推油缸安装在位于所述底座与所述顶梁之间的所述导向柱上，所述主推油缸可沿着所述导向柱滑动；所述主推油缸的伸缩部与所述底座固定连接，所述主推油缸与所述动力头固定连接，所述动力头与所述钻具传动连接；

所述移动装置包括载重台，所述载重台上两个位置相对的侧面上安装有履带行走机构；所述底座与所述载重台的第一端铰接；所述主推油缸通过起落架拉杆与所述载重台连接，所述起落架拉杆的一端与所述主推油缸铰接，所述起落架拉杆的另一端与所述载重台的第一端铰接；所述载重台上台面上设有支撑机构，在所述钻井装置装载在所述载重台上时，所述顶梁放在所述支撑机构上；所述载重台上安装有大于或等于2N个支脚，N为大于2的自然数。

上述上向反井钻井工艺，所述钻具包括钻杆和钻头所述钻头包括先导钻头和扩孔钻头，所述先导钻头下端与所述扩孔钻头的上端螺纹连接，所述扩孔钻头的下端与所述钻杆的上端螺纹连接，所述钻杆的下端通过卸扣装置与所述动力头传动连接；所述移动装置还包括泵站，所述泵站安装在所述载重台上，所述泵站与所述主推油缸流体导通连接。

上述上向反井钻井工艺，所述顶梁上安装有可自由开合的卡板和抱卡装置，所述卡板位于所述抱卡装置的上方；所述卡板和所述抱卡装置闭合时，所述卡板和所述抱卡装置分别与所述钻杆卡接；位于所述顶梁和所述上支撑之间的所述导向柱上安装有上活动梁，所述上活动梁上安装有岩渣收集机构，所述岩渣收集机构可自由开合；所述岩渣收集机构闭合时，所述岩渣收集机构与所述钻杆滑动连接。

上述上向反井钻井工艺，位于井口与所述钻头之间的所述钻杆上安装有稳定器；所述稳定器包括可开合安装环，所述安装环上安装有大于或等于3个长度相等的支臂，所述支臂的一端与所述安装环固定连接，所述支臂的另一端安装有滚轮，所述滚轮与井筒内壁接触；所述安装环闭合时，所述安装环与所述钻杆固定连接；相邻的两个所述稳定器之间距离大于或等于8m且小于或等于10m；所述稳定器与所述钻头之间的距离大于或等于8m且小于或等于10m。

本发明的有益效果是：

1.采用本发明可以实现在现有坑道对坑道上方的地层进行井筒钻进，无需为满足现有反井钻井工艺而再开挖一条新坑道，从而降低了井筒开挖的成本，也降低了此类井筒开挖所需的工时，从而加快了工程进度，为后续施工节约了大量时间。

2.采用本发明进行坑道上方地层井筒的钻进，井筒钻井过程中无需钻井液或需要少量的钻井液，其中钻井液用以降低钻头的温度，提高钻头使用寿命和井筒钻进速度，保证钻头可以进行连续的施工运转。

3.采用本发明对高于施工位置的地层进行钻井，由于无需将大型机械设备搬运到高处，从而解决了大型机械搬运困难的问题。

附图说明

图1为本发明移动式上向反井钻机工作状态下的结构示意图；

图2为本发明移动式上向反井钻机的钻井装置完全竖立时的结构示意图；

图3为本发明移动式上向反井钻机的钻井装置收回到移动装置上过程中的结构示意图；

图4为本发明移动式上向反井钻机的钻井装置被完全收回到移动装置上时的结构示意图。

图中：1-下支撑，2-底座，3-导向柱，4-顶梁，5-上支撑，6-主推油缸，7-动力头，8-卸扣装置，9-钻杆，10-扩孔钻头，11-先导钻头，12-泵站，13-稳定器,14-伸缩部，15-上活动梁，16-岩渣收集机构，17-卡板，18-抱卡装置，19-履带行走机构，20-支脚，21-载重台，22-支撑机构，23-岩渣外运站，24-支臂，25-滚轮，26-起落架拉杆。

具体实施方式

为清楚说明本发明中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。

实施例1

地层不稳定的地区进行坑道开挖和井筒开挖均需要进行预先支护，以防止出现塌方造成事故，这是地层不稳定地区进行地下施工的基本要求。

本发明中所用的上向反井钻机为移动式上向反井钻机,如图1～4所示，所述移动式上向反井钻机包括钻井装置和移动装置。

其中，所述钻井装置包括钻机支撑机构、主推油缸6、动力头7和钻具，所述钻机支撑机构包括下支撑1、底座2、导向柱3、顶梁4和上支撑5；所述下支撑1的上端与所述导向柱3的下端固定连接，所述导向柱3的上端与所述上支撑5的下端固定连接；所述底座2安装在临近所述导向柱3的下端的所述导向柱3上，所述顶梁4安装在临近所述导向柱3的上端的所述导向柱3上，所述主推油缸6安装在位于所述底座2与所述顶梁4之间的所述导向柱3上，所述主推油缸6可沿着所述导向柱3滑动；所述主推油缸6的伸缩部14与所述底座2固定连接，所述主推油缸6与所述动力头7固定连接，所述动力头7与所述钻具传动连接。其中，所述钻具包括钻杆9和钻头所述钻头包括先导钻头11和扩孔钻头10，所述先导钻头11下端与所述扩孔钻头10的上端螺纹连接，所述扩孔钻头10的下端与所述钻杆9的上端螺纹连接，所述钻杆9的下端通过卸扣装置8与所述动力头7传动连接；所述移动装置还包括泵站12，所述泵站12安装在所述载重台21上，所述泵站12与所述主推油缸6流体导通连接。

所述移动装置包括载重台21，所述载重台21上两个位置相对的侧面上安装有履带行走机构19；所述底座2与所述载重台21的第一端铰接；所述主推油缸6通过起落架拉杆26与所述载重台21连接，所述起落架拉杆26的一端与所述主推油缸6铰接，所述起落架拉杆26的另一端与所述载重台21的第一端铰接；所述载重台21上台面上设有支撑机构22，在所述钻井装置装载在所述载重台21上时，所述顶梁4放在所述支撑机构22上；所述载重台21上安装有大于或等于2N个支脚20，N为大于2的自然数。

所述顶梁4上安装有可自由开合的卡板17和抱卡装置18，所述卡板17位于所述抱卡装置18的上方；所述卡板17和所述抱卡装置18闭合时，所述卡板17和所述抱卡装置18分别与所述钻杆9卡接；位于所述顶梁4和所述上支撑5之间的所述导向3上安装有上活动梁15，所述上活动梁15上安装有岩渣收集机构16，所述岩渣收集机构16可自由开合；所述岩渣收集机构16闭合时，所述岩渣收集机构16与所述钻杆9滑动连接。

且在井筒钻进过程中，随着井筒深度增加，位于井口与所述钻头之间的所述钻杆9上增加安装有稳定器13；所述稳定器13包括可开合安装环，所述安装环上安装有大于或等于3个长度相等的支臂24，所述支臂24的一端与所述安装环固定连接，所述支臂24的另一端安装有滚轮25，所述滚轮25与井筒内壁接触；所述安装环闭合时，所述安装环与所述钻杆9固定连接；相邻的两个所述稳定器13之间距离大于或等于8m且小于或等于10m；所述稳定器13与所述钻头之间的距离大于或等于8m且小于或等于10m。

在地层不稳定地区现有坑道里对坑道上方地层进行钻井施工之前，应待钻井地层的地质情况进行研究分析。根据地质、设计部门提供的地质资料进行调查研究，分析判断出待钻井地层的地层倾角大小，以便判断中待钻井筒所在位置上方地层中岩石的可钻性。

在判定待钻井筒所在位置上方地层中岩石的可钻性满足施工要求之后，通过履带车将所述移动式上向反井钻机运至待钻井筒位置的正下方，然后启动所述泵站12，接着启动所述主推油缸6，并使所述主推油缸6的所述伸缩部进行收缩，此时由于所述起落架连杆26的一端与所述载重台的第一端固定连接，所述起落架连杆26的另一端与所述主推油缸6固定连接，因当所述主推油缸6的所述伸缩部14逐渐收缩时，在所述起落架拉杆26的上顶作用下，所述钻井装置的上端会逐渐地被拉升，而所述钻井装置的下端则会逐渐下降直至与地面充分接触或者所述伸缩部14收缩完全，此时所述下支撑1的下端与地面完全接触，而为了保持施工安全，施工场地要求平整，满足所述钻井装置竖直安放的要求。对待钻井筒所在坑道段进行支护，以避免在对待钻井筒进行钻井施工过程中，坑道壁出现崩裂或塌方。在对坑道支护完成之后，为避免待钻井筒井口周边的地城出现崩裂或/和脱落，采用速凝水泥浆对待钻井筒井口周围地层进行预固化处理，而且为了增强固化效果，可以在待钻井筒井口周围地层上打锚固孔，并在锚固孔内注入速凝水泥浆，从而避免坑道顶部地层出现岩层或土层崩裂或/脱落影响施工。

在用以固化待钻井筒井口周围地层的速凝水泥浆固化的过程中，可以完成所述移动式上向反井钻机的安装。由于处于对所述钻杆9等部件的保护，运送所述移动式上向反井钻机时，一般会将所述钻杆9以及所述钻头等部件从所述钻机支撑机构上拆卸下来。因而在所述钻井装置竖立在施工现场的地面之后，现将所述先导钻头11和所述扩孔钻头10同轴装配，然后再将所述先导钻头11和所述扩孔钻头10与所述钻杆9同轴装配，然后再讲所述钻杆9与所述动力头7通过所述卸扣装置8固定连接。当所述钻杆9的长度满足第一阶段井筒钻进的需求，则可以使所述卡板17和所述抱卡装置18以及所述岩渣收集机构16完全打开，以便于所述钻头在所述主推油缸6的驱动下升高至与坑道上方地层相接处的高度，在所述钻头升至预定高度后，将所述岩渣收集机构16闭合。由于所述先导钻头11在所述扩孔钻头10的上方且二者属于同轴装配，因而采用这一钻头组合可以实现导孔和井筒同时钻进。

当速凝水泥浆完全固化后，启动所述移动式上向反井钻机进行井筒钻进。井筒钻进过程中产生的岩渣和土渣会从井筒中直接掉落，落到所述岩渣收集机构16上，并由所述岩渣收集机构16送至岩渣外运站23，然后由渣土车运出坑道。

在单根钻杆长度不能满足井筒钻进需求时，常常需要将两个所述钻杆9同轴连接起来。当所述主推油缸6上升至其可上移的最高点，然后将所述卡板17和所述抱卡装置18闭合，此时所述卡板17和所述保卡装置18分别与所述钻杆9卡接，然后通过所述卸扣装置8解除所述钻杆9与所述动力头7之间的连接，接着启动所述主推油缸6，使所述伸缩部14收缩带动所述主推油缸6下移，当所述主推油缸6下移至其可下移的最低点，然后将用以增加所述钻杆9长度的钻杆与所述动力头7通过所述卸扣装置固定连接，然后启动所述主推油缸6使得所述伸缩部14伸展，使得用以增加所述钻杆9长度的钻杆上端靠近所述钻杆9的下端，然后将原有所述钻杆9和用以增加原有所述钻杆9长度的新的所述钻杆同轴装配，即可完成所述钻杆9的长度增加。所述钻杆9的更换，与所述钻杆9长度的增加的区别仅在于原有所述钻杆9需要拆卸下来。

而由于钻头长时间钻进，钻头的温度会不断升高，为了避免钻头因温度过高，可在钻头钻进的过程中向钻头高速喷射冷凝液，以降低钻头温度，延长钻头的使用寿命，提高上向反井钻机的连续工作时间。

反井钻井成井后，先将所述钻头和所述钻杆9按照其装配顺序的反向操作从所述动力头7上拆卸下来，然后利用所述移动式上向反井钻机的剩余部分(即上向反井钻机机架)与升降设备，在井筒内设置吊盘，通过配备一套提升系统担负运送材料和人员的功能，用整体式金属模板砌壁，无缝钢管浇筑内层井壁。

在井筒内壁支护完成后，将所述起落架拉杆26的上端与所述主推油缸6铰接，然后使所述伸缩部14伸长，所述钻井装置的上端则会在所述起落架拉杆26的牵拉作用下逐渐倾斜并向所述载重台21靠拢，直至所述钻井装置的上端落在所述支撑机构22上。

实施例2

本实施例中所用移动式上向反井钻机和实施例1中所用移动式上向反井钻机相同。

对于地层稳定的地区而言，在现有坑道内对坑道上方的地层进行钻井施工，可以进行简单的防护处理，例如在待钻井筒井口周围的地层上安装防护网，而且防护网可在井筒钻成之后拆卸下来在下一个井筒钻进的施工中继续使用。

与地层不稳定地区在现有坑道内对坑道上方地层进行钻井施工一样，在地层稳定地区，对现有坑道上方地层进行钻井施工也需对待钻井地层的地质情况进行研究分析。根据地质、设计部门提供的地质资料进行调查研究，分析判断出待钻井地层的地层倾角大小，以便判断中待钻井筒所在位置上方地层中岩石的可钻性。

在判定待钻井筒所在位置上方地层中岩石的可钻性满足施工要求之后，将上向反井钻机运至待钻井筒位置的正下方，然后将上向反井钻机机架竖起并对上向反井钻机进行初装。在上向反井钻机初装完成后，仅需在待钻井筒井口周围地层上安装防护网，以避免较大的碎石块坠落而砸伤施工人员或砸坏钻井设备。

当防护网安装完毕后，完成所述移动式上向反井钻机安放与组装，本实施例中的所述移动式上向反井钻机的安放与组装的操作与实施例1中的一样。井筒钻进过程中产生的岩渣等也是有所述岩渣收集机构16收集并运送至所述岩渣外运站，并由渣土车运至坑道外。

而由于钻头长时间钻进，钻头的温度会不断升高，为了避免钻头因温度过高，可在钻头钻进的过程中向钻头高速喷射冷凝液，以降低钻头温度，延长钻头的使用寿命，提高上向反井钻机的连续工作时间。

由于地层结构稳定，钻成的井筒井壁稳定，无需进行复杂的支护施工，只需利用锚杆喷浆支护，完成井筒全部作业。

井筒内壁支护完成后，所述移动式上向反井钻机的拆卸与转运与实施例中的操作相同。

实施例1和2中，井筒钻进过程中产生的岩渣和土渣在重力的作用下自动沿着井筒坠落下来，无需使用钻井液将其携带出来，而现有反井钻井工艺在进行导孔钻进过程中，为了将导孔钻进过程中产生的岩渣和土渣从导孔中排出，需用钻井液将其从导孔中携带出来，这就减少了钻井液对钻杆和钻头的损害。而且在实施例1和2中，对现有坑道上方地层进行钻井施工时，均是在现有单一坑道中进行，不需要在现有坑道的上方开挖出新的坑道，节约了大量的人力物力，也节省了大量的时间，便于企业提高施工效率，降低井筒开挖成本。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。